CN112873233A - 一种基于rgb-d slam技术的餐具回收机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于RGB‑D SLAM技术的餐具回收机器人，车体行走装置设置在餐盘回收车体下端用于带动餐盘回收车体进行移动；餐盘回收车体的前端固定连接横向运动导轨，横向运动导轨两端分别设有高度调节导轨，高度调节导轨与横向运动导轨滑动连接沿横向运动导轨长度方向运动，前后运动导轨滑动连接在高度调节导轨中部，高度调节导轨顶部连接RGB‑D摄像头；餐具回收机械臂滑动连接在前后运动导轨上用于夹持板状餐盘和圆形餐具。本发明使用RGB‑D摄像头感知桌面环境，建立虚拟地图后判断餐具的位置，随后由夹持手完成餐具的回收，将其纳入车体后循迹返回，完成桌面餐具的回收工作。

Description

一种基于RGB-D SLAM技术的餐具回收机器人及其控制方法

技术领域

本发明属于餐具回收机器人技术领域，尤其涉及一种基于RGB-D SLAM技术的餐具回收机器人及其控制方法。

背景技术

餐饮行业作为满足居民“衣食住行”四大基本生活需求之一的行业，规模庞大。2019年中国餐饮业收入达到46721亿元，占社会消费品零售总额的11.3％，是名副其实的国民支柱产业。

然而，餐饮企业的经营难度越来越大。北上广深四大城市每个月餐饮门店的倒闭率高达10％，高淘汰率已成为餐饮行业的常态。中国烹饪协会数据显示，2016年，全国餐饮百强企业的利润率仅4.70％，众多餐饮商家面临着房租高、人力成本高、食材成本高、毛利低的“三高一低”的困境，利润空间被不断压缩，广大食客也被高昂的餐饮费用所扰。

为缓解餐饮行业人力成本居高不下的难题，“机器人餐厅”的理念开始得到实践。碧桂园研发推出了一款机器人餐厅，餐厅中共配置了46项机器人设备，配菜、烹制、传菜全部由机器人完成。机器人餐厅节省了大量人力，显著降低了人力成本。随着餐厅机器人性能和可靠性的不断提高，机器人在餐饮行业预计将得到广泛应用。但现有的餐具回收机器人由于硬件设备和传感器较为昂贵，机械结构较为复杂，存在成本较高、准确度较低以及速度慢等缺陷。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明主要目的在于提供一种基于RGB-D SLAM技术的餐具回收机器人及其控制方法，使用RGB-D摄像头感知桌面环境，建立虚拟地图后判断餐具的位置，随后由夹持手完成餐具的回收，将其纳入车体后循迹返回，完成桌面餐具的回收工作。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于RGB-D SLAM技术的餐具回收机器人，包括餐盘回收车体、车体行走装置、RGB-D摄像头、板状餐盘、圆形餐具和餐具回收机械手；其中，

所述车体行走装置设置在所述餐盘回收车体下端用于带动所述餐盘回收车体进行移动；

所述餐盘回收车体的前端固定连接横向运动导轨，所述横向运动导轨两端分别设有高度调节导轨，所述高度调节导轨与所述横向运动导轨滑动连接沿所述横向运动导轨长度方向运动，前后运动导轨滑动连接在所述高度调节导轨中部，所述高度调节导轨顶部连接RGB-D摄像头；

所述餐具回收机械臂滑动连接在所述前后运动导轨上用于夹持板状餐盘和所述圆形餐具。

进一步，还包括SLAM系统，所述SLAM系统与所述RGB-D摄像头通信连接，所述车体行走装置受所述SLAM系统控制设置在所述餐盘回收车体底部。

进一步，所述RGB-D摄像头包括RGB-D摄像头基座和RGB-D摄像头上壳体，所述RGB-D摄像头基座固定连接在所述高度调节导轨顶端，所述RGB-D摄像头上壳体固定连接在所述RGB-D摄像头基座上，其中所述所述RGB-D摄像头上壳体上依次设有指示灯、RGB相机模组、照射灯、红外投影模组和深度相机模组。

进一步，所述餐具回收机械臂包括磁力夹持滑轨、上夹持臂和下夹持臂，其中所述磁力夹持滑轨滑动连接在所述前后运动导轨上，下夹持臂固定连接在所述磁力夹持滑轨底部，所述上夹持臂通过夹持垂直滑轨滑动连接在所述磁力夹持滑轨上，所述上夹持臂能够在所述磁力夹持滑轨上上下滑动。

进一步，所述上夹持臂包括上夹板和上横条，所述上横条和所述上夹板固定连接，所述上横条和所述上夹板平行设置，上横条设置在所述上夹板内侧。

进一步，所述下夹持板包括下夹板和下横条，所述下横条中部与所述下夹板固定连接，下夹板两端分别设有直线推杆，所述直线推杆与所述下夹板滑动连接，直线推杆的端部连接所述下横条能够将所述下横条向内侧推动。

进一步，所述下横条为柔性材料制成，其中在所述直线推杆的两侧设有压缩弹簧，所述下夹板上设有凹槽孔，所述压缩弹簧一端固连在所述凹槽孔中，另一端与所述下横条的两端部进行固定连接。

进一步，所述下横条内设有吸力电磁铁。

进一步，所述板状餐盘包括板状餐盘壳体，所述板状餐盘的两端设有夹持边，所述夹持边中设有板状餐盘特征体，所述圆形餐具包括圆形碗壳体，所述圆形碗壳体顶部两端设有圆形碗特征体。

本发明还提供一种基于RGB-D SLAM技术的餐具回收机器人的控制方法包括如下步骤，

S1.餐盘回收车体的车体行走装置在所述SLAM系统控制下自主导航至餐桌旁；

S2.RGB-D相机获取桌面静态图像；

S3.SLAM系统进行地图建模；识别餐具的视觉特征获取位置信息；

S4.餐具回收机械臂运动至餐具位置；

S5.餐具回收机械臂夹持餐具；

S6.餐具回收机械臂将餐具纳入车体进行回收；

S7.依次循环上述步骤S1-S6。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用RGB-D相机，可以通过传感器在硬件方面测得图像的深度，从而无需消耗大量资源用于计算深度。可以用相对低廉的价格实现该餐具回收机器人的定位、任务规划乃至路径规划功能，降低了成本，从而可为餐饮行业提供可靠性高、价格低廉的餐具回收机器人。本发明设计的机械臂具有高效夹持特定种类餐具的能力，可显著提高餐具的回收效率。

附图说明

图1为本发明整体的结构示意图；

图2为RGB-D摄像头的示意图；

图3为餐具的示意图；

图4为机械臂夹持圆形碗餐具示意图；

图5为机械臂夹持板状餐盘示意图；

图6为本发明工作流程图；

图中：1-板状餐盘，2-圆形餐具，3-磁力夹持滑轨，4-餐具回收机械手，5-RGB-D 摄像头，6-前后运动导轨，7-餐盘回收车体，8-高度调节导轨，9-横向运动导轨， 10-车体行走装置，11-USB插口，12-RGB-D摄像头基座，13-指示灯，14-RGB-D摄像头上壳体，15-RGB相机模组，16-照射灯，17-红外投影模组，18-深度相机模组，19- 圆形碗壳体，20-圆形碗特征体，21-板状餐盘壳体，22-板状餐盘特征体，23-下夹板，24-直线推杆，25-上横条，26-上夹板，27-夹持垂直滑轨，28-吸力电磁铁，29- 压缩弹簧，30-下横条。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，如图1-5所示，本发明提供一种基于RGB-D SLAM技术的餐具回收机器人，包括餐盘回收车体、车体行走装置 10、RGB-D摄像头5、板状餐盘1、圆形餐具2和餐具回收机械手4；其中，车体行走装置10设置在所述餐盘回收车体下端用于带动所述餐盘回收车体进行移动；餐盘回收车体的前端固定连接横向运动导轨9，所述横向运动导轨9两端分别设有高度调节导轨8，所述高度调节导轨8与所述横向运动导轨9滑动连接沿所述横向运动导轨9 长度方向运动，前后运动导轨6滑动连接在所述高度调节导轨8中部，所述高度调节导轨8顶部连接RGB-D摄像头5；餐具回收机械臂滑动连接在所述前后运动导轨6上用于夹持板状餐盘1和所述圆形餐具2。

在上述实施例中，SLAM系统与所述RGB-D摄像头5通信连接，所述车体行走装置10受所述SLAM系统控制设置在所述餐盘回收车体底部。RGB-D摄像头5包括 RGB-D摄像头基座12和RGB-D摄像头上壳体14，所述RGB-D摄像头基座12固定连接在所述高度调节导轨8顶端，所述RGB-D摄像头上壳体14固定连接在所述 RGB-D摄像头基座12上，其中所述所述RGB-D摄像头上壳体14上依次设有指示灯 13、RGB相机模组15、照射灯16、红外投影模组17和深度相机模组18。其中， RGB-D摄像头5需要从上获得餐具的特定点信息，之后机械手会夹持回收这些餐具。 RGB-D摄像头基座12上设有USB插口11。

进一步优选的实施例中，所述餐具回收机械臂包括磁力夹持滑轨3、上夹持臂和下夹持臂，其中所述磁力夹持滑轨3滑动连接在所述前后运动导轨6上，下夹持臂固定连接在所述磁力夹持滑轨3底部，所述上夹持臂通过夹持垂直滑轨27滑动连接在所述磁力夹持滑轨3上，所述上夹持臂能够在所述磁力夹持滑轨3上上下滑动。上夹持臂包括上夹板26和上横条25，所述上横条25和所述上夹板26固定连接，所述上横条25和所述上夹板26平行设置，上横条25设置在所述上夹板26内侧。下夹持臂包括下夹板23和下横条30，所述下横条30中部与所述下夹板23固定连接，下夹板23 两端分别设有直线推杆24，所述直线推杆24与所述下夹板23滑动连接，直线推杆24 的端部连接所述下横条30能够将所述下横条30向内侧推动。在上述实施例中，在夹持板状餐盘1时，上夹持臂通过夹持垂直滑轨27的作用可进行上下移动，下夹持臂固定不动，上下夹持臂将板状餐盘1的夹持边夹在中间对板状餐盘1进行回收，同时下夹持臂中的吸力电磁铁在通电时产生磁力，将吸附住餐盘的磁性区域，实现夹持功能。

进一步优选的实施例中，所述下横条30为柔性材料制成，其中在所述直线推杆 24的两侧设有压缩弹簧29，所述下夹板23上设有凹槽孔，所述压缩弹簧29一端固连在所述凹槽孔中，另一端与所述下横条30的两端部进行固定连接。在下夹持臂的内端设计了可伸缩变形的弹性夹条。在回收圆形餐具2时，弹性夹条会在推力杆的作用下变形为环状，并不断变形直到和餐具牢牢贴合，起到固定的作用。机械臂在夹取前运动到到指定回收位置，在夹取后再按路径返回，在收纳处分类收容餐具。运动路径限制在轨道上。

进一步，所述板状餐盘1包括板状餐盘壳体21，所述板状餐盘1的两端设有夹持边，所述夹持边中设有板状餐盘特征体22，所述圆形餐具2包括圆形碗壳体19，所述圆形完壳体顶部两端设有圆形碗特征体20。圆形餐具2为圆形或椭圆形碗，横截面为圆形或椭圆形，可参照家常饭碗或餐馆里盛菜的圆形碗。碗的顶端为圆环形，在两侧设计了夹持边和特征点识别位置。夹持边的存在用于降低圆形餐具2的夹取难度，机械手仅需夹住夹持边，然后通过机械手的可变结构对碗进行固定，即可实现稳定安全的夹取回收。板状餐盘1于盛放各种餐具，可满足餐厅对多样化餐具的要求。用餐结束后，各式餐具都放在餐盘上，最后统一进行回收，降低了项目的复杂程度。餐盘两侧有夹持边，夹持边上设计了特征点识别信息。机械手能够稳定的夹住夹持边，实现回收功能。在上述实施例中，圆形碗特征体20和板状餐盘特征体，其材质与碗和餐盘相同，但具有鲜明的颜色特征比如红色，有利于RGB-D相机获取视觉信息，以识别餐具的位置信息。

本实施例还提供一种基于RGB-D SLAM技术的餐具回收机器人的控制方法包括如下步骤，

S1.餐盘回收车体的车体行走装置在所述SLAM系统控制下自主导航至餐桌旁；

S2.RGB-D相机获取桌面静态图像；

S3.SLAM系统进行地图建模；识别餐具的视觉特征获取位置信息；

S4.餐具回收机械臂运动至餐具位置；

S5.餐具回收机械臂夹持餐具；

S6.餐具回收机械臂将餐具纳入车体进行回收；

S7.依次循环上述步骤S1-S6。

本发明工作原理如下：

餐盘回收车体7通过循迹能力自主驶向需要清理的餐桌，由车轮10差速运动实现转向和平移。到达对应餐桌后，位于餐盘回收车体顶端的两个RGB-D摄像头5将对桌面进行实时的静态图片录制，然后建立桌面环境的虚拟地图。建立地图后机器视觉算法分析出桌面上板状餐盘1的板状餐盘特征体22，从而获得餐盘在地图中的位置，随后开始餐具抓取。首先餐盘回收车体7调整到餐盘对应位置，高度调节滑轨8将在横向运动导轨9上移动到餐盘对应的横向位置，前后运动导轨6将在高度调节滑轨8上运动至桌面上餐盘的对应高度，磁力夹持滑轨3在前后运动导轨6上运动到餐盘对应的纵向位置，磁力夹持掌4沿磁力夹持滑轨3将板状餐盘1夹紧，同时通电产生磁力将其吸附住。

在夹持板状餐盘1时，机械臂的工作方式如图5所示。下夹板23和柔性下横条30保持固定状态，上横条25和上夹板26沿夹持垂直滑轨27往下滑动直到夹住板状餐盘1为止。随后吸力电磁铁28将通电，板状餐盘1和柔性下横条30牢固贴合，以保证夹持的稳定性。

在单独夹持圆形碗2时，机械臂的工作方式如图4所示。直线推杆24将从下夹板 23内伸出，推动柔性下横条30弯曲变形。直线推杆24伸出时，弹簧29在两侧推动柔性下横条30弯曲直到贴合圆形碗壳体19。随后上横条25和上夹板26沿夹持垂直滑轨27往下滑动直到夹住圆形碗2为止。吸力电磁铁28将通电，圆形碗2和柔性下横条30牢固贴合，保证夹持的稳定性。

在完成夹持工作后，将沿原路径饭后，直到将板状餐盘1回收至餐盘回收车体7内。最后餐盘回收车体7带着回收完毕的板状餐盘1循迹返回。本发明最终可实现的效果为该餐具回收机器人到达需要进行餐具回收的餐桌后，自主使用RGB-D摄像头5感知桌面环境，建立虚拟地图后判断餐具的位置，随后由夹持手完成餐具的回收，将其纳入餐盘回收车体后循迹返回，完成桌面餐具的回收工作。

上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于RGB-D SLAM技术的餐具回收机器人，其特征在于：包括餐盘回收车体、车体行走装置、RGB-D摄像头、板状餐盘、圆形餐具和餐具回收机械手；其中，

所述车体行走装置设置在所述餐盘回收车体下端用于带动所述餐盘回收车体进行移动；

所述餐盘回收车体的前端固定连接横向运动导轨，所述横向运动导轨两端分别设有高度调节导轨，所述高度调节导轨与所述横向运动导轨滑动连接沿所述横向运动导轨长度方向运动，前后运动导轨滑动连接在所述高度调节导轨中部，所述高度调节导轨顶部连接RGB-D摄像头；

所述餐具回收机械臂滑动连接在所述前后运动导轨上用于夹持板状餐盘和所述圆形餐具。

2.根据权利要求1所述的一种基于RGB-D SLAM技术的餐具回收机器人，其特征在于：还包括SLAM系统，所述SLAM系统与所述RGB-D摄像头通信连接，所述车体行走装置受所述SLAM系统控制设置在所述餐盘回收车体底部。

3.根据权利要求1所述的一种基于RGB-D SLAM技术的餐具回收机器人，其特征在于：所述RGB-D摄像头包括RGB-D摄像头基座和RGB-D摄像头上壳体，所述RGB-D摄像头基座固定连接在所述高度调节导轨顶端，所述RGB-D摄像头上壳体固定连接在所述RGB-D摄像头基座上，其中所述所述RGB-D摄像头上壳体上依次设有指示灯、RGB相机模组、照射灯、红外投影模组和深度相机模组。

4.根据权利要求1所述的一种基于RGB-D SLAM技术的餐具回收机器人，其特征在于：所述餐具回收机械臂包括磁力夹持滑轨、上夹持臂和下夹持臂，其中所述磁力夹持滑轨滑动连接在所述前后运动导轨上，下夹持臂固定连接在所述磁力夹持滑轨底部，所述上夹持臂通过夹持垂直滑轨滑动连接在所述磁力夹持滑轨上，所述上夹持臂能够在所述磁力夹持滑轨上上下滑动。

5.根据权利要求4所述的一种基于RGB-D SLAM技术的餐具回收机器人，其特征在于：所述上夹持臂包括上夹板和上横条，所述上横条和所述上夹板固定连接，所述上横条和所述上夹板平行设置，上横条设置在所述上夹板内侧。

6.根据权利要求4所述的一种基于RGB-D SLAM技术的餐具回收机器人，其特征在于：所述下夹持板包括下夹板和下横条，所述下横条中部与所述下夹板固定连接，下夹板两端分别设有直线推杆，所述直线推杆与所述下夹板滑动连接，直线推杆的端部连接所述下横条能够将所述下横条向内侧推动。

7.根据权利要求6所述的一种基于RGB-D SLAM技术的餐具回收机器人，其特征在于：所述下横条为柔性材料制成，其中在所述直线推杆的两侧设有压缩弹簧，所述下夹板上设有凹槽孔，所述压缩弹簧一端固连在所述凹槽孔中，另一端与所述下横条的两端部进行固定连接。

8.根据权利要求4所述的一种基于RGB-D SLAM技术的餐具回收机器人，其特征在于：所述下横条内设有吸力电磁铁。

9.根据权利要求1所述的一种基于RGB-D SLAM技术的餐具回收机器人，其特征在于：所述板状餐盘包括板状餐盘壳体，所述板状餐盘的两端设有夹持边，所述夹持边中设有板状餐盘特征体，所述圆形餐具包括圆形碗壳体，所述圆形完壳体顶部两端设有圆形碗特征体。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种基于RGB-D SLAM技术的餐具回收机器人的控制方法，其特征在于包括如下步骤，

S1.餐盘回收车体的车体行走装置在所述SLAM系统控制下自主导航至餐桌旁；

S2.RGB-D相机获取桌面静态图像；

S3.SLAM系统进行地图建模；识别餐具的视觉特征获取位置信息；

S4.餐具回收机械臂运动至餐具位置；

S5.餐具回收机械臂夹持餐具；

S6.餐具回收机械臂将餐具纳入车体进行回收；

S7.依次循环上述步骤S1-S6。

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